西北地区是我国牧草主产区,但因其气候条件限制以及耕地面积有限,牧草生产远不能满足需求,因此,寻求一种高效栽培措施以应对畜牧业发展中饲草不足的问题已成为当前迫切需要解决的问题。在牧草生产实践中,采用豆科与禾本科牧草间、套和轮作等高效种植制度可有效提升其生产潜力和发挥生态优势。因此,本研究对该区域广泛种植的主要豆科牧草紫花苜蓿（Medicago sativa）与4种广泛种植的禾本科牧草玉米（Zea mays）、甜高粱（Sorghum dochna）、燕麦（Avena sativa）和小黑麦（Triticale Wittmack）进行间作,通过连续3年（2017年,2018年和2019年）的田间定位试验,模拟间作试验（土培桶栽法）和根系互作试验（营养液砂培法）来探讨紫花苜蓿与4种禾本科牧草间作在不同年份、不同生育期和不同根系互作强度下的间作优势、氮高效机理以及根际土壤微生态效应等研究,研究结果如下:1、紫花苜蓿/禾本科牧草间作优势4种间作组合下,禾本科牧草的单位面积干草产量和蛋白产量均较其相应的单作显著提高。间作降低了紫花苜蓿粗蛋白含量和相对饲用价值,但提高了4种禾本科牧草的营养品质和相对饲用价值,即禾本科牧草在间作系统中具有更大的间作优势。紫花苜蓿的偏土地当量比小于禾本科牧草偏土地当量比,并且4种间作组合的土地当量比均大于1,即4种禾本科牧草均处于竞争优势地位,紫花苜蓿处于竞争劣势地位。不同间作组合中,紫花苜蓿/甜高粱间作的群体产量(18700-19900 kg·hm^-2)最大,紫花苜蓿/玉米间作的群体蛋白产量(2257-2356 kg·hm^-2)最佳。间作对禾本科牧草光合性能具有促进作用,主要表现为4种禾本科牧草在间作下的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及光能利用率均较各自的单作有显著地提高,而紫花苜蓿的光合特性和光能利用率在间作下均低于相应的单作。间作不仅促进了禾本科牧草叶绿素含量,而且促进了处于弱光下的紫花苜蓿叶绿素b含量,进而调节其在不同光强度下的光合特性。同时,4种禾本科牧草中,Rubp羧化酶活性均显著大于其单作;玉米、甜高粱和燕麦间作中蔗糖磷酸合成酶活性显著大于相应的单作;与玉米和甜高粱间作的紫花苜蓿中蔗糖合成酶活性显著小于相应的单作;同时,4种禾本科牧草碳水化合物含量较其单作显著提高,即间作可显著提高禾本科牧草的碳代谢活性和碳水化合物含量,而对紫花苜蓿的影响相对较小。在群体光能利用率中,紫花苜蓿/甜高粱间作时最高。紫花苜蓿/禾本科牧草间作时,4种禾本科牧草对紫花苜蓿的氮、磷和钾的竞争比率均大于1,即4种禾本科牧草均较紫花苜蓿具有更强的养分竞争能力。间作利于禾本科牧草的养分竞争及积累,4种禾本科牧草体内氮、磷和钾含量在其间作下均大于相应的单作,而紫花苜蓿体内氮、磷和钾含量表现相反。3年田间试验中,燕麦和小黑麦体内氮含量在其间作下较其单作分别提高了7.5-8.1%和7.8-9.3%,小黑麦体内磷和钾含量在其间作下较其单作分别提高了21.7-26.3%和3.0-4.9%。不同生育期下,紫花苜蓿体内磷、钾含量和积累量以及4种禾本科牧草体内氮、磷、钾含量和积累量均随生育期的推进其在间作与单作中的差距不断增大。同时,根系互作越紧密,4种禾本科牧草茎叶和根系中氮、磷和钾含量越高,紫花苜蓿则越低。4种间作模式中,紫花苜蓿/甜高粱间作对氮和钾的竞争比率最高,而紫花苜蓿/小黑麦对磷的竞争比率最高。2、紫花苜蓿/禾本科牧草间作氮代谢及其氮高效机理紫花苜蓿/禾本科牧草间作可以提高禾本科牧草的氮代谢关键酶活性,其中,甜高粱、燕麦和小黑麦NR和GOGAT活性在间作下均显著高于相应的单作,甜高粱和燕麦在种植第3年时GS活性在间作下均显著高于相应的单作;而间作显著降低了紫花苜蓿的氮代谢关键酶活性。随根系互作紧密程度的增加,禾本科牧草的氮代谢酶活性不断增加,而紫花苜蓿氮代谢酶活性不断降低。同时,紫花苜蓿的NR基因在根系中和GS基因在茎叶中的表达,以及4种禾本科牧草的GOGAT基因在茎叶和根系中和NR基因在茎叶中的表达,燕麦和小黑麦NiR基因在茎叶中的表达,燕麦和小黑麦GS基因在根系中的表达均与其体内的氮素浓度变化规律相似。4种禾本科牧草的根重在间作中较其单作提高了7.1-25.7%,其中与玉米和甜高粱间作的紫花苜蓿根重变化较大,但在与燕麦和小黑麦间作的紫花苜蓿根重变化较小。紫花苜蓿与禾本科牧草根系互作越紧密越有利于禾本科牧草根系的生长发育,同时可以促进紫花苜蓿和禾本科牧草根系长度的增加及根系活力的提高,有利于对养分的竞争与吸收。在种植后期,紫花苜蓿、玉米、甜高粱、燕麦和小黑麦的根系活力在根系不分隔下较其在塑料分隔下分别提高了6.7-13.8%、13.6-14.3%、8.7-12.5%、39.6-45.4%和17.3-19.0%。本研究中,不同间作组合下紫花苜蓿的总根瘤数、有效根瘤数、单株根瘤重、固氮酶活性及单株固氮潜力均较其单作显著提高,但单根瘤重差异不显著。紫花苜蓿根瘤数、根瘤重和固氮能力均随根系互作紧密程度的增加而增加,根瘤数和固氮能力在不分隔下均显著大于塑料分隔和单种。根系中4种异黄酮含量在胁迫氮水平下高于适宜氮水平。根系中的大豆苷元和木犀草素含量在不分隔下大于尼龙网分隔,而在塑料分隔和单种下未检测出;刺芒柄花素和染料木素含量总体来看,均随根系互作紧密程度增加而增大,同时不分隔时显著大于塑料分隔和单种。在不同根系互作下,异黄酮合酶基因IFS-1和IFS-4为上调基因,IFS-2和IFS-3为下调基因;IFS-1（除根系N21水平下）和IFS-4相对表达量在根系不分隔下显著大于尼龙网分隔,尼龙网分隔显著大于塑料分隔和单种;IFS-2和IFS-3表达量表现相反。结瘤信号通路基因（NOD-1和NOD-2）均为上调基因;NOD-1和NOD-2的相对表达量随根系互作越紧密则表现越高;同时,其相对表达量在不分隔下显著大于塑料分隔和单种。根系中,IFS和NOD基因均与除单根瘤重的结瘤固氮各指标均呈显著相关关系。根系中,大豆苷元、木犀草素、刺芒柄花素以及染料木素均与各结瘤固氮指标呈极显著正相关。3、紫花苜蓿/禾本科牧草间作的土壤微生态效应紫花苜蓿和禾本科牧草根际土壤pH值在间作中均低于相应的单作;而有机质含量在间作中高于相应的单作,禾本科牧草在间作与单作中差异显著。紫花苜蓿根际土壤碱解氮和有效磷含量在间作与单作下差异较小;而速效钾含量在间作下显著小于其单作。4种禾本科牧草根际土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量在间作下均显著大于相应的单作。与单作相比,间作可提高紫花苜蓿和禾本科牧草根际土壤生物酶活性,其中与燕麦和甜高粱间作的紫花苜蓿根际土壤脲酶和蔗糖酶活性以及4种间作组合下紫花苜蓿根际土壤碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均较其相应的单作显著提高;同时,4种禾本科牧草根际土壤下4种土壤酶活性也显著提高。紫花苜蓿和4种禾本科牧草根际土壤中细菌和放线菌数量在其间作下均高于相应的单作,而真菌数量表现相反。与燕麦和小黑麦间作的紫花苜蓿以及间作下的玉米、甜高粱、燕麦和小黑麦其根际土壤细菌的序列数均显著大于相应的单作。同时,分类单元、ACE指数、Chao指数、Shannon指数均表现为在紫花苜蓿和4种禾本科牧草间作根系土壤中大于相应的单作。在门水平上,变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、放线菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、疣微菌门、芽单胞菌门为相对丰度较大的门类,其相对丰度之和达84%以上。变形菌门、拟杆菌门和放线菌门在紫花苜蓿和禾本科牧草根际土壤均表现作为间作大于其单作,芽单胞菌门表现为间作小于相应的单作。间作下牧草根际土壤酶及微生物群落结构与土壤养分相互影响并相互调节,其中变形菌门、拟杆菌门和放线菌门丰度均与有机质含量和碱解氮含量呈极显著正相关关系。综上所述,间作可以显著提高禾本科牧草的生产性能及营养品质,这是由于间作中地上互作促进了禾本科牧草的光合性能和群体光能利用率,地下互作促进了禾本科牧草的营养吸收和群体养分积累。紫花苜蓿与禾本科牧草间作对氮素的高效利用主要是由于氮素的固定、吸收和转化决定的,间作可以刺激紫花苜蓿根瘤数和固氮能力的增加,其机制是间作改变紫花苜蓿的氮素浓度进而改变及异黄酮合酶基因表达及异黄酮含量,从而改变固氮信号通路基因表达和结瘤固氮特性;间作刺激了紫花苜蓿和禾本科牧草总根长的增加和根系活力的增强,以竞争和吸收更多的氮素;同时,间作可以促进禾本科牧草的氮代谢酶活性,进而增加了氮素的转化。紫花苜蓿与禾本科牧草间作可以提高西北地区间作牧草根际土壤的养分及增进其微生物多样性。